靈敏系數(shù)-大連廣播電視大學(xué)

1、1頁,傳感器與測(cè)試技術(shù),任課教師: 解曉光,大連電視大學(xué) 理工系,2頁,第3章 電阻式傳感器,主要內(nèi)容：,1、介紹應(yīng)變式電阻傳感器的工作原理、金屬應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)、類型、主要特性、溫度補(bǔ)償、選擇與粘貼工藝、轉(zhuǎn)換電路及典型應(yīng)用。,2、介紹壓阻式傳感器的工作原理、半導(dǎo)體應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)與主要特性、壓阻式傳感器的溫度補(bǔ)償、轉(zhuǎn)換電路及典型應(yīng)用。,3、介紹熱阻式傳感器的工作原理、類型、轉(zhuǎn)換電路及典型應(yīng)用。,4、介紹電位計(jì)式傳感器的工作原理、類型、

2、轉(zhuǎn)換電路及典型應(yīng)用。,3頁,第3章 電阻式傳感器,3.1　應(yīng)變式電阻傳感器：P53,3.1.1　金屬絲的電阻應(yīng)變效應(yīng)：,電阻絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值發(fā)生變化，這一現(xiàn)象就是電阻絲的應(yīng)變效應(yīng)。,設(shè)有一段長(zhǎng)為l ，截面為s ，電阻率為 ρ的金屬絲，則它的電阻為:,4頁,當(dāng)它受到軸向力F而被拉伸(或壓縮)時(shí)，其l、s、 ρ 均發(fā)生變化，如圖所示，如取金屬絲是半徑為r 的圓形截面s=πr2 ，那么,3.1　應(yīng)變式電阻傳感

3、器：,3.1.1　金屬絲的電阻應(yīng)變效應(yīng)：,故電阻的相對(duì)變化為,5頁,若金屬絲沿長(zhǎng)度方向受力而伸長(zhǎng)△l ，通常將△l/l 稱為縱向應(yīng)變，標(biāo)為ε 。它是長(zhǎng)度方向的相對(duì)變形或稱長(zhǎng)度變化率，是一無量綱的量。因?yàn)樗臄?shù)值在通常的測(cè)量中甚小，故常用10-6作為單位來表示，稱為微應(yīng)變，標(biāo)以με。例如ε=0.001就可以表示為1000 με ，稱為具有1000微應(yīng)變。,3.1　應(yīng)變式電阻傳感器：,3.1.1　金屬絲的電阻應(yīng)變效應(yīng)：,由材料力學(xué)得知，

4、在彈性范圍內(nèi)，金屬絲受拉力時(shí)，沿軸向伸長(zhǎng)，沿徑向縮短，哪么軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的關(guān)系為：（μ—電阻絲的泊松比）,6頁,3.1　應(yīng)變式電阻傳感器：,3.1.1　金屬絲的電阻應(yīng)變效應(yīng)：,k0物理意義：?jiǎn)挝粦?yīng)變所引起的電阻相對(duì)變化。,此式表明：加載后金屬絲電阻相對(duì)變化量與軸向應(yīng)變成正比。,K0是一個(gè)常數(shù)，不同的金屬材料，k0不同。由于k0為常數(shù)，可將靈敏系數(shù)表達(dá)式改寫為：,7頁,3.1　應(yīng)變式電阻傳感器：,3.1.2　應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)與類型（P

5、55）,應(yīng)變片阻值尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，常用的有60Ω、120Ω、200Ω、320Ω、350Ω、500Ω、1000Ω，其中120Ω最為常用。,★應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)：應(yīng)變片主要是由金屬絲柵(敏感柵)、絕緣基片及覆蓋片三部分組成。,,8頁,中央電大往屆試題,3.1.2　應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)與類型（P55）,1、填空題：（2分； 04.1. P55）應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)：應(yīng)變片主要是由 、 及覆蓋片三部分組

6、成。,2、填空題：（2分；2004.1. P53） 電阻絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值發(fā)生變化，這一現(xiàn)象就是電阻絲的 。,9頁,3.1　應(yīng)變式電阻傳感器：,3.1.2　應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)與類型（P55）,★電阻應(yīng)變片的種類：根據(jù)制作方法，一般可將金屬應(yīng)變片分為二類：,①電阻絲應(yīng)變片：電阻絲應(yīng)變片有圓角線柵式和直角線柵式兩種。前者制造方便，為最常見形式，但它的橫向效應(yīng)較大。,②金屬箔式應(yīng)變片

7、：敏感柵由高阻值的金屬鉑片經(jīng)光刻腐蝕技術(shù)制成。,10頁,3.1　應(yīng)變式電阻傳感器：,3.1.2　應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)與類型（P55）,★電阻應(yīng)變片的種類：,11頁,3.1.2　應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)與類型（P55）,3.1　應(yīng)變式電阻傳感器：,★電阻應(yīng)變片的種類：,12頁,★電阻應(yīng)變片的種類：,中央電大往屆試題,問答題：(6分；2008.1. ； P56）金屬應(yīng)變片有哪些類型？根據(jù)制作方法，一般可將金屬應(yīng)變片分為二類：①電阻絲應(yīng)變片；②金屬箔式

8、應(yīng)變片。,13頁,3.1　應(yīng)變式電阻傳感器：,應(yīng)變式電阻傳感器是以電阻應(yīng)變片為轉(zhuǎn)換元件的傳感器，公式：,★利用應(yīng)變片測(cè)量力的基本原理：,力的變化→機(jī)械形變→電阻變化△R→應(yīng)變值ε →,標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品,14頁,第3章 電阻式傳感器,3.1.3　應(yīng)變片的主要特性（P56）,電阻應(yīng)變片靈敏系數(shù)為k=△R/(Rε)。電阻絲(半成品）靈敏系數(shù)為k0,k不等于k0且恒小于k0 。應(yīng)變片靈敏系數(shù)k必須重新實(shí)驗(yàn)測(cè)定。因粘貼式應(yīng)變片一經(jīng)粘貼測(cè)試就無法取

9、下重用，一批產(chǎn)品只能采取抽樣(如5%)測(cè)定，取平均k值及允許的公差值標(biāo)注在該批的每個(gè)應(yīng)變片包裝袋上，也稱“標(biāo)稱靈敏系數(shù)”?！　?yīng)變片靈敏系數(shù)測(cè)定是在某種特定實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行的，如采用純彎梁(等應(yīng)力梁)或等強(qiáng)度懸臂梁。試件材料必須是泊松系數(shù)μ=0.285的鋼材，受單向應(yīng)力狀態(tài)且應(yīng)變力軸向與主應(yīng)力方向一致。由此可見，應(yīng)變片靈敏系數(shù)是在二維應(yīng)變場(chǎng)中進(jìn)行標(biāo)定的。實(shí)驗(yàn)證明，在相當(dāng)大的應(yīng)變范圍內(nèi)，應(yīng)變片靈敏系數(shù) 是常數(shù)。,(1)靈敏系數(shù)：,15頁

10、,3.1　應(yīng)變式電阻傳感器：,沿應(yīng)變片軸向的應(yīng)變?chǔ)舩 必然引起應(yīng)變片電阻的相對(duì)變化，而沿垂直于應(yīng)變片軸向的橫向應(yīng)變?chǔ)舮 也會(huì)引起其電阻的相對(duì)變化，這種現(xiàn)象稱為橫向效應(yīng)。,3.1.3　應(yīng)變片的主要特性（P56）,(2)橫向效應(yīng)：,橫向效應(yīng)與應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)有關(guān)，敏感柵端部具有半圓形橫柵的絲繞應(yīng)變片橫向效應(yīng)較為嚴(yán)重?，F(xiàn)在一般多采用箔式應(yīng)變片，其圓弧部分尺寸較柵絲尺寸大得多，電阻值較小，因而電阻的變化量也就小得多。,16頁,3.1.3　應(yīng)變片的

11、主要特性（P56）,3.1　應(yīng)變式電阻傳感器：,(3)溫度效應(yīng)：,粘貼到試件上的電阻應(yīng)變片，除感受機(jī)械應(yīng)變而產(chǎn)生電阻相對(duì)變化外，在環(huán)境溫度變化時(shí)，也會(huì)引起電阻的相對(duì)變化，產(chǎn)生虛假應(yīng)變，這種現(xiàn)象稱為溫度效應(yīng)。,17頁,中央電大往屆試題,1、問答題：（07.1 ; 08.7.）P56什么是金屬應(yīng)變片的橫向效應(yīng)？（6分）答：沿應(yīng)變片軸向的應(yīng)變?chǔ)舩 必然引起應(yīng)變片電阻的相對(duì)變化，而沿垂直于應(yīng)變片軸向的橫向應(yīng)變?chǔ)舮 也會(huì)引起其電阻的相對(duì)變

12、化，這種現(xiàn)象稱為橫向效應(yīng)。,2、問答題：（04.1.；04.7. P57）為什么用應(yīng)變片測(cè)量時(shí)必須采用溫度補(bǔ)償措施？答：粘貼到試件上的電阻應(yīng)變片，除感受機(jī)械應(yīng)變而產(chǎn)生電阻相對(duì)變化外，在環(huán)境溫度變化時(shí)，也會(huì)引起電阻的相對(duì)變化，產(chǎn)生虛假應(yīng)變，因此需采用溫度補(bǔ)償措施。,3.1.3　應(yīng)變片的主要特性（P57）,18頁,(3)溫度效應(yīng)： P57,①單絲自補(bǔ)償法：由式(3-9)可知，為使因溫度變化而產(chǎn)生的虛假應(yīng)變?chǔ)舤 =0 ，只要滿足條件:

13、 αt=-k(βg- βs) （3-10）在研制和選用應(yīng)變片時(shí)，若選擇敏感柵的合金材料，使其αt,βs 能與試件材料的 相匹配，即滿足式(3-10)，就能達(dá)到溫度自補(bǔ)償?shù)哪康?。這種溫度自補(bǔ)償方法的最大優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造、使用方便。,3.1.3　應(yīng)變片的主要特性（P58）,※為消除溫度誤差，采取如下溫度補(bǔ)償措施：,③橋路補(bǔ)償法：利用電橋電路的和差原理來達(dá)到補(bǔ)償溫度誤差的目的。,19頁,3.1　應(yīng)變式電阻傳感器：,中央

14、電大往屆試題（04.1；04.7.）P58,為了消除應(yīng)變片的溫度誤差，可采用的溫度補(bǔ)償措施包括： 、 和 。A、雙絲自補(bǔ)償法 B、溫度補(bǔ)償法C、單絲補(bǔ)償法 D、電流補(bǔ)償法E、電壓補(bǔ)償法 F、橋路補(bǔ)償法,20頁,中央電大往屆試題,3.1.3　應(yīng)變片的主要特性（P56）,1、選擇題：（2分；05.1. P56）金屬應(yīng)變片的靈敏系數(shù)比應(yīng)變電阻材料本身的靈

15、敏系數(shù) 。A、小 B、大 C、相等,2、問答題：（10分；04.7. ；07.7. ；P57）粘貼到試件上的電阻應(yīng)變片，環(huán)境溫度變化會(huì)引起電阻的相對(duì)變化，產(chǎn)生虛假應(yīng)變，這種現(xiàn)象稱為溫度效應(yīng)，簡(jiǎn)述產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因。答：①環(huán)境溫度變化時(shí)，敏感柵材料的電阻溫度系數(shù)存在，引起應(yīng)變片電阻的相對(duì)變化。②環(huán)境溫度變化時(shí)，敏感柵材料和試件材料的膨

16、脹系數(shù)不同，應(yīng)變片產(chǎn)生附加的拉長(zhǎng)（或壓縮），引起電阻的相對(duì)變化。,21頁,3.1　應(yīng)變式電阻傳感器：,3.1.3　應(yīng)變片的主要特性（P58）,(5)零漂及蠕變：,★粘貼在試件上的應(yīng)變片，在恒溫恒載條件下，指示應(yīng)變量隨時(shí)間單向變化的特性稱為蠕變。如圖中θ。,★當(dāng)試件初始空載時(shí)，應(yīng)變片示值仍會(huì)隨時(shí)間變化的現(xiàn)象稱為零漂。如圖中P0。,22頁,,(6)應(yīng)變極限：,3.1　應(yīng)變式電阻傳感器：,3.1.3　應(yīng)變片的主要特性（P59）,應(yīng)變

17、片的線性特性（靈敏系數(shù)為常數(shù)）是在一定的應(yīng)變限度范圍內(nèi)才保持。當(dāng)試件輸入的真實(shí)應(yīng)變超過某一極限時(shí)，應(yīng)變片的輸出特性將出現(xiàn)非線性。在恒溫條件下，使非線性達(dá)到10%時(shí)的真實(shí)應(yīng)變值，稱為應(yīng)變極限 。,23頁,(7)絕緣電阻：,3.1　應(yīng)變式電阻傳感器：,3.1.3　應(yīng)變片的主要特性（P59）,應(yīng)變片絕緣電阻 是指已粘貼的應(yīng)變片的引線與被測(cè)試件之間的電阻值，通常要求 在50～100MΩ以上。,應(yīng)變片安裝之后，其絕緣電阻下降將使測(cè)量系統(tǒng)靈敏

18、度降低，使應(yīng)變片的指示應(yīng)變產(chǎn)生誤差。 Rm的大小取決于粘合劑及基底材料的種類及固化工藝，在常溫使用條件下要采取必要的防潮措施，而在中溫或高溫條件下，要注意選取電絕緣性能良好的粘結(jié)劑和基底材料。,24頁,3.1.4　 轉(zhuǎn)換電路（P60）,3.1　應(yīng)變式電阻傳感器：,(1)直流電橋：,應(yīng)變片將試件應(yīng)變?chǔ)呸D(zhuǎn)換成電阻相對(duì)變化△R/R，由于機(jī)械應(yīng)變一般都很小，要把微小應(yīng)變引起的微小電阻變化測(cè)量出來，同時(shí)要把電阻相對(duì)變化ΔR/ R轉(zhuǎn)換為電壓或

19、電流的變化。因此，需要有專用測(cè)量電路用于測(cè)量應(yīng)變變化而引起電阻變化的測(cè)量電路，通常采用直流電橋和交流電橋。,25頁,(1)直流電橋：P61,假設(shè)輸入端U是一個(gè)恒壓源，由于輸出端接高阻抗的指示表或放大器，近似看成開路：,直流電橋平衡條件： R1R3=R2R4,輸出電壓為零稱為電橋處于平衡狀態(tài),26頁,若R1R3=R2R4，則輸出電壓為零，稱為電橋處于平衡狀態(tài)，此等式稱為直流電橋平衡條件。下面分別討論橋臂電阻的變化與輸出電壓的關(guān)系：,

20、①一個(gè)橋臂電阻有變化（單臂電橋）：,例如橋臂R1電阻有△R1 的變化（只有一臂工作），成為R1+△R1則電橋的輸出電壓為 :,,若取R1=R2=R3=R4=R0,,若電橋用于微電阻變化測(cè)量，有：,(1)直流電橋：P61,27頁,如橋臂電阻R1 和鄰邊橋臂電阻R2 的阻值都有電阻變化，即R1 變?yōu)镽1+△R1 ， R2變?yōu)镽2 - △R2，當(dāng)若取R1=R2=R3=R4=R0，且△R1= △ R2= △ R時(shí)， 這稱為半橋雙臂工作電橋。,

21、②兩個(gè)橋臂電阻有變化(雙臂電橋)：,半橋差動(dòng)：在試件上安裝兩個(gè)工作應(yīng)變片，一個(gè)受拉應(yīng)變，一個(gè)受壓應(yīng)變， 接入電橋相鄰橋臂。（相鄰臂一拉一壓、相對(duì)臂同拉同壓） 該電橋輸出電壓為,由直流電橋特性公式：,(1)直流電橋：P62,28頁,③四個(gè)橋臂電阻均有變化(全橋):,全橋差動(dòng)：電橋四臂接入四片應(yīng)變片，即兩個(gè)（相對(duì)臂）受拉應(yīng)變，兩個(gè)（相對(duì)臂）受壓應(yīng)變，將兩個(gè)應(yīng)變符號(hào)相同的接入相對(duì)橋臂上。若ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4，且R1=R2=R3=

22、R4=R0，則其輸出電壓為：,結(jié)論：全橋電路電壓靈敏度為單片工作時(shí)的4倍。,(1)直流電橋：P62,29頁,電橋輸出電壓小結(jié)：,②雙臂電橋：,③全橋:,(1)直流電橋：P62,30頁,(1)直流電橋：P62,中央電大往屆試題,兩金屬應(yīng)變片R1和R2阻值均為120Ω，靈敏系數(shù)k=2；兩應(yīng)變片一受拉，另一受壓，應(yīng)變均為1000µε.兩者接入直流電橋組成半橋雙臂工作電橋，電源電壓U=5V。求（1）ΔR和ΔR/R；（2）電橋的輸出電壓

23、U0 。(14分；2006.7. P80),答： ε= 1000µε=0.001,31頁,(2)交流電橋：,3.1.4　 轉(zhuǎn)換電路（P63） ：,交流電橋電路的電路結(jié)構(gòu)形式與直流電橋相同。但在電路具體實(shí)現(xiàn)上與直流電橋有兩個(gè)不同點(diǎn)，一是其激勵(lì)電源是高頻交流電壓源或電流源(電源頻率一般是被測(cè)信號(hào)頻率的十倍以上)；二是交流電橋的橋臂可以是純電阻，但也可以是包含有電容、電感的交流阻抗。交流電橋的平衡條件是：,其物理含義是

24、交流電橋要達(dá)到平衡需使該電橋的四個(gè)橋臂中對(duì)邊阻抗的模乘積相等，對(duì)邊阻抗角之和相等。所以交流電橋的平衡較之直流電橋要復(fù)雜一些。,Zi—各橋臂的復(fù)數(shù)阻抗；zi--復(fù)數(shù)阻抗的模；φi –復(fù)數(shù)阻抗的阻抗角。交流電橋平衡條件還可表為：,若要此方程成立，須同時(shí)滿足下面兩個(gè)條件：,32頁,中央電大往屆試題（04.7、08.1）P61~63,3.1.4　 轉(zhuǎn)換電路（P63） ：,※畫出直流電橋和交流電橋原理圖，并分別寫出電橋平衡條件。（12分）（

25、04.7）,※電橋是傳感器的常用變換電路，請(qǐng)畫出直流電橋和交流電橋原理圖，并說明兩者的平衡條件各是什么？（16分）（08.1）,直流電橋平衡條件：R1R3=R2R4,交流電橋的平衡條件：,33頁,3.1.5　應(yīng)變片選擇與粘貼工藝（P64） ：,(1)應(yīng)變片的選擇：,①類型的選擇（絲繞式、箔式…）②材料的選用（基底材料：酚醛類、聚酯類…）③阻值的選擇（標(biāo)稱阻值：120Ω、350Ω等）④尺寸的選擇（應(yīng)變片柵長(zhǎng)（mm)：3mm、12m

26、m..,應(yīng)變片型號(hào)代號(hào)7部分的含義：,34頁,中央電大往屆試題（05.1.；07.7.）P65,3.1.5　應(yīng)變片選擇與粘貼工藝（P65） ：,選擇題（每空2分） 應(yīng)變片的選擇包括類型的選擇、材料的選用、 和 等。A、測(cè)量范圍的選擇 B、電源的選擇C、阻值的選擇 D、尺寸的選擇E、精度的選擇 F、結(jié)構(gòu)的選擇,35頁,3.1.5　應(yīng)變片選擇

27、與粘貼工藝（P65） ：,①準(zhǔn)備工作:　　a.試件的準(zhǔn)備：在粘貼部位的表面，用砂布在與軸向成45°的方向交叉打磨至粗糙度Ra為63μm→清洗凈打磨面→劃線即確定粘貼坐標(biāo)線→均勻涂一薄層粘接劑作底?！　.應(yīng)變片的準(zhǔn)備：外表和阻值檢查→劃線軸向標(biāo)記→清洗。　?、谕磕z:在準(zhǔn)備好的試件表面和應(yīng)變片的基底上均勻涂一薄層粘接劑。　?、圪N片：將涂好膠的應(yīng)變片與試件，按坐標(biāo)線對(duì)準(zhǔn)貼上→用手指順軸向滾壓，去除氣泡和多余膠液→按固

28、化條件固化處理。　?、軓?fù)查：　　A.貼片偏差應(yīng)在許可范圍內(nèi)；　　B.阻值變化應(yīng)在測(cè)量?jī)x器預(yù)調(diào)平范圍內(nèi)；　　C.引線和試件間的絕緣電阻應(yīng)大于50MΩ。　　⑤接線：根據(jù)工藝條件選擇好導(dǎo)線，然后通過中介接線片(柱)把應(yīng)變片引線和導(dǎo)線焊接在一起，并加以固定。　?、薹雷o(hù)：在安裝好的應(yīng)變片和引線上涂以中性凡士林油、石蠟(短期防潮)，或石蠟—松香—黃油的混合劑(長(zhǎng)期防潮)，或環(huán)氧樹脂、氯丁橡膠、清漆等(防機(jī)械劃傷)作防護(hù)用，以保證

29、應(yīng)變片工作性能穩(wěn)定可靠。,(2)應(yīng)變片的粘貼,36頁,電阻應(yīng)變片的選擇、粘貼技術(shù),1.目測(cè)電阻應(yīng)變片有無折痕.斷絲等 缺陷，有缺陷的應(yīng)變片不能粘貼。,2.用數(shù)字萬用表測(cè)量應(yīng)變片電阻值大 小。同一電橋中各應(yīng)變片之間阻值 相差不得大于0.5歐姆.,3.試件表面處理：貼片處置用細(xì)紗紙打磨干凈，用 酒精棉球反復(fù)擦洗貼處，直到棉球無黑跡為止。,4.應(yīng)變片粘貼:在應(yīng)變片基底上擠一小滴502膠水， 輕輕涂抹均勻，立即放在應(yīng)變貼片

30、位置。,3.1.5　應(yīng)變片選擇與粘貼工藝（參考） ：,37頁,3.2 電阻式傳感器,5.焊線:用電烙鐵將應(yīng)變片的引線焊接到導(dǎo)引線上。,6.用兆歐表檢查應(yīng)變片與試件之間的絕緣組織，應(yīng) 大于500M歐。,7.應(yīng)變片保護(hù)：用704硅橡膠覆于應(yīng)變片上，防止 受潮。,38頁,中央電大往屆試題（04.7）P65,3.1.5　應(yīng)變片選擇與粘貼工藝（P65） ：,選擇題（每空2分）粘貼應(yīng)變片做好準(zhǔn)備工作后要進(jìn)行的工作是： 。

31、A、涂膠→貼片→復(fù)查→接線→防護(hù)∨ B、涂膠→ 接線→復(fù)查→貼片→防護(hù) C、涂膠→ 防護(hù)→貼片→復(fù)查→接線D、涂膠→接線→貼片→復(fù)查→防護(hù),39頁,應(yīng)變式傳感器包括兩個(gè)主要部分：一個(gè)是彈性敏感元件亦稱彈性體，利用它把被測(cè)的物理量 (如力、扭矩、壓力、加速度等)轉(zhuǎn)換為彈性體的應(yīng)變值；另一個(gè)是應(yīng)變片，它作為傳感元件，將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻值的變化。按照用途不同，應(yīng)變式傳感器可以分為應(yīng)變式測(cè)力傳感器、應(yīng)變式壓力傳感器、應(yīng)變式加速度傳感器等。,

32、3.1.6 電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用（P66）,(1)應(yīng)變式測(cè)力傳感器,★被測(cè)物理量為荷重或力的應(yīng)變式傳感器，統(tǒng)稱為應(yīng)變式力傳感器。其主要用途是作為各種電子稱與材料試驗(yàn)機(jī)的測(cè)力元件、發(fā)動(dòng)機(jī)的推力測(cè)試等。測(cè)力傳感器的彈性元件就是力敏元件，它將被測(cè)力的大小的變化轉(zhuǎn)換成應(yīng)變量的變化。彈性元件的形式有柱式、環(huán)式、懸臂梁式等。柱式、筒式力傳感器，應(yīng)變片粘貼在彈性體外壁應(yīng)力分布均勻的中間部分，對(duì)稱地粘貼多片， 可承受很大載荷，最大可達(dá)107N，,★

33、環(huán)式彈性體一般用于測(cè)量500N以上的荷載與柱式相比，特點(diǎn)是應(yīng)力分布均勻，便于接成差動(dòng)電橋。,★懸臂梁式彈性元件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工容易、應(yīng)變片粘貼容易、靈敏度較高。它適用于小載荷的測(cè)量，約1—103N。,40頁,2008-4-22,2008-4-22,應(yīng)變式力傳感器：,3.1.6 電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用（P66）,41頁,(2)應(yīng)變式加速度傳感器,3.1.6 電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用（P66）,應(yīng)變片式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中2是懸臂梁

34、，自由端安裝質(zhì)量塊1，另一端固定在基座4上。懸臂梁上粘貼四個(gè)電阻應(yīng)變片3 。 測(cè)量時(shí)，將傳感器基座與被測(cè)對(duì)象剛性連接，當(dāng)被測(cè)物體以加速度a 運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊受到一個(gè)與加速度方向相反的慣性力作用，使懸臂梁變形，該變形被粘貼在懸臂梁上的應(yīng)變片感受到并隨之產(chǎn)生應(yīng)變，從而使應(yīng)變片的電阻發(fā)生變化。電阻的變化引起應(yīng)變片組成的橋路出現(xiàn)不平衡，從而輸出電壓，即可得出加速度a值的大小。,42頁,3.1.6 電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用（P66）,(3)應(yīng)變式

35、壓力傳感器,主要用來測(cè)量流動(dòng)介質(zhì)的動(dòng)態(tài)或靜態(tài)壓力,a圖為筒式壓力傳感器，圓柱體內(nèi)有一盲孔，被測(cè)壓力進(jìn)入應(yīng)變筒腔內(nèi)，使筒發(fā)生變形，它將流體壓力的變化轉(zhuǎn)換成應(yīng)變量的變化，因而得到壓力P。,b圖盲孔外端實(shí)心部分貼一片應(yīng)變片R2，當(dāng)筒內(nèi)有壓力時(shí)，實(shí)心部分不變形，只用作溫度補(bǔ)償。,c圖沒有端部，R1和R2垂直粘貼，R1沿圓周，R2沿筒長(zhǎng)，沿筒長(zhǎng)方向R2做溫度補(bǔ)償用。,43頁,案例：電子稱,原理將物品重量通過懸臂梁轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)變形再通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)化為電

36、量輸出。,3.1.6 電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用（P66）,44頁,,案例：沖床生產(chǎn)記數(shù) 和生產(chǎn)過程監(jiān)測(cè),,3.1.6 電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用（P66）,45頁,3.2 壓阻式傳感器P67,沿一塊半導(dǎo)體某一軸向施加一定應(yīng)力時(shí)，除了產(chǎn)生一定應(yīng)變外，材料的電阻率也要發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)。,3.2.1 壓阻效應(yīng):,金屬絲和箔式電阻應(yīng)變片在應(yīng)變式傳感器中得到廣泛應(yīng)用，主要缺點(diǎn)是靈敏度系數(shù)小。20世紀(jì)50年代出

37、現(xiàn)半導(dǎo)體應(yīng)變片制成的傳感器（稱為固態(tài)壓阻式傳感器），固態(tài)壓阻式傳感器的突出優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高(比金屬絲高50～80倍)，尺寸小，橫向效應(yīng)也小，滯后和蠕變都小，適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。,46頁,中央電大往屆試題（05.7；06.7、07.1/09.1.）P65,選擇題（每空2分）固態(tài)壓阻式傳感器靈敏度高，尺寸小，橫向效應(yīng)也小，滯后和蠕變都小，因此適用于 測(cè)量。A、靜態(tài) B、動(dòng)態(tài)C、精確

38、 D、隨機(jī),3.2 壓阻式傳感器P67,47頁,3.2 壓阻式傳感器P69,3.2.2 結(jié)構(gòu)與特性,a-單晶錠；b-按一定晶軸方向切成薄片；c-進(jìn)行研磨加工；d-切成細(xì)條經(jīng)過光刻腐蝕工序；e-安裝內(nèi)引線；f-粘貼在基底上并安裝外引線。,敏感柵形狀有條形e圖；U型左圖；W型左圖。敏感柵長(zhǎng)度一般為1~9mm.,48頁,3.2 壓阻式傳感器P70,3.2.3 固態(tài)壓阻傳感器的測(cè)量電

39、路,,壓阻式應(yīng)變片（切片）的靈敏系數(shù)雖然比金屬高得多，但還覺得不夠高。為了進(jìn)一步增大靈敏度，首先選定基底（即硅膜片），利用半導(dǎo)體擴(kuò)散技術(shù)，將P型雜質(zhì)擴(kuò)散到N型硅膜片上，制成P型擴(kuò)散電阻（壓敏電阻），裝上引線后，即形成擴(kuò)散性半導(dǎo)體應(yīng)變片。使用時(shí)，外界的壓力作用先引起硅膜形變，形變使壓敏電阻承受應(yīng)力，該應(yīng)力比壓力直接作用在壓敏電阻上產(chǎn)生的應(yīng)力要大得多，好像硅膜起了放大作用。,固體受力后電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。壓阻式壓力傳感器是基

40、于半導(dǎo)體材料(單晶硅)的壓阻效應(yīng)原理制成的傳感器，就是利用集成電路工藝直接在硅平膜片上按一定晶向制成擴(kuò)散壓敏電阻，當(dāng)硅膜片受壓時(shí)，膜片的變形將使擴(kuò)散電阻的阻值發(fā)生變化。硅平膜片上的擴(kuò)散電阻通常構(gòu)成橋式測(cè)量電路，相對(duì)的橋臂電阻是對(duì)稱布置的，電阻變化時(shí)，電橋輸出電壓與膜片所受壓力成對(duì)應(yīng)關(guān)系。,常采用的測(cè)量電路有：恒壓源供電、恒流源供電和放大電路。,49頁,(1)壓阻式壓力傳感器,固態(tài)壓阻式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)如圖所示。傳感器硅膜片兩邊有兩個(gè)壓

41、力腔。一個(gè)是和被測(cè)壓力相連接的高壓腔，另一個(gè)是低壓腔，通常和大氣相通。,當(dāng)膜片兩邊存在壓力差時(shí)，膜片上各點(diǎn)存在應(yīng)力。膜片上的四個(gè)電阻在應(yīng)力作用下，阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，其輸出的電壓與膜片兩邊壓力差成正比。這樣測(cè)得不平衡電橋的輸出電壓就能求得膜片所受的壓力差。,3.2.4 壓阻式傳感器應(yīng)用 P74,50頁,(2)壓阻式加速度傳感器：,3.2.4 壓阻式傳感器應(yīng)用 P74,壓阻式加速度傳感器是利用單晶

42、硅作懸臂梁，在其根部擴(kuò)散出4個(gè)電阻（上下面各兩個(gè)等值電阻），當(dāng)懸臂梁自由端的質(zhì)量塊受到外界加速度作用時(shí)，就將感受到的加速度轉(zhuǎn)變?yōu)閼T性力，產(chǎn)生應(yīng)力，使4個(gè)電阻值發(fā)生變化。使電橋產(chǎn)生不平衡，從而輸出與外界的加速度成正比的電壓值。 Kulite GAE813固態(tài)壓阻式加速度計(jì)的有關(guān)參數(shù)：量程10～100g；靈敏度：1～5V/g；非線性誤差：土1％；溫度范圍：-40一+200；固有頻率：1000～2000Hz。,1-基座；2-擴(kuò)散電阻；3-單晶

43、硅懸臂梁；4-質(zhì)量塊。,51頁,3.3 熱電阻式傳感器 P75,利用導(dǎo)電材料的電阻率隨本身溫度變化而變化的溫度效應(yīng)制成的傳感器，稱為熱電阻式傳感器。,3.3.1 工作原理 ：,實(shí)驗(yàn)證明，導(dǎo)體材料的電阻率ρ隨溫度變化的關(guān)系為： ρt= ρ0 (1+αt),52頁,3.3 熱電阻式傳感器 P75,3.3.2 熱電阻類型及特點(diǎn) ：,熱電阻的類型包括鉑熱電阻、銅熱電阻、銦電阻、錳電阻等。,鉑

44、熱電阻的特點(diǎn)是精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠，所以在溫度傳感器中得到了廣泛應(yīng)用。 “1968年國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)”規(guī)定，在-259.34～630.74℃溫域內(nèi)，以鉑電阻溫度計(jì)標(biāo)準(zhǔn)儀器。,（1）鉑熱電阻：,鉑電阻用0.03～0.07mm的鉑絲繞在云母片制成的片形支架上，繞組的兩面用云母片夾住絕緣。并繞法繞制在具有一定形狀的云母、石英或陶瓷塑料支架上，支架起支撐和絕緣作用。,53頁,鉑是貴重金屬，因此在一些測(cè)量精度要求不高，測(cè)溫范圍較小

45、(-50～150℃)的情況下，普遍采用銅電阻。,3.3 熱電阻式傳感器 P75,優(yōu)點(diǎn)：銅電阻具有較大的電阻溫度系數(shù)，材料容易提純，銅電阻的阻值與溫度之間接近線性關(guān)系，銅的價(jià)格比較便宜，所以銅電阻在工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用。缺點(diǎn)：電阻率較低，電阻體的體積較大，熱慣性較大，穩(wěn)定性較差，在100 ℃以上時(shí)容易氧化，因此只能用于低溫及沒有浸蝕性的介質(zhì)中。,銅電阻由直徑0.1mm的絕緣銅絲繞在圓形骨架上。為了使熱電阻能得到較長(zhǎng)的使

46、用壽命，熱電阻加有保護(hù)套管。,（2）銅熱電阻：,54頁,中央電大往屆試題,3.3 熱電阻式傳感器,1、（填空題每空2分）（06.7； P75） 熱電阻式傳感器是基于導(dǎo)電材料的 隨本身溫度而變化的溫度電阻效應(yīng)制成的傳感器。(P75),2、（問答題 10分）（05.7；06.7; /09.1. P75） 何為熱電阻式傳感器？常用的熱電阻類型有哪些？(P75)答：利用導(dǎo)電材料的電阻率隨本身溫度變化

47、而變化的溫度效應(yīng)制成的傳感器，稱為熱電阻式傳感器。熱電阻的類型包括鉑熱電阻、銅熱電阻、銦電阻、錳電阻等。,,55頁,3.4 電位計(jì)式傳感器 P78,電位計(jì)式傳感器也稱變阻器式傳感器，其工作原理是通過改變電位計(jì)觸頭位置，實(shí)現(xiàn)將位移變化轉(zhuǎn)換為電阻的變化。 繞線式電位計(jì)因?yàn)槭艿诫娮杞z直徑的限制，因而分辨力不高。,當(dāng)電阻絲直徑與材料一定時(shí)，電阻值將隨導(dǎo)線長(zhǎng)度l的變化而變化。常用電位器式傳感器：有直線位移型、角位移型和非線性型